A model checker for performance and dependability properties

Markov chains are widely used in the context of performance and reliability evaluation of systems of various nature. Model checking of such chains with respect to a given (branching) temporal logic formula has been proposed for both the discrete [8] and the continuous time setting [1], [3]. In this short paper, we describe the prototype model checker $E \vdash M C^2$ for discrete and continuous-time Markov chains, where properties are expressed in appropriate extensions of CTL.We illustrate the general benefits of this approach and discuss the structure of the tool

The formal, tool supported development of real time systems

The language SDL has long been applied in the development of various kinds of systems. Real-time systems are one application area where SDL has been applied extensively. Whilst SDL allows for certain modelling aspects of real-time systems to be represented, the language and its associated tool support have certain drawbacks for modelling and reasoning about such systems. In this paper we highlight the limitations of SDL and its associated tool support in this domain and present language extensions and next generation real-time system tool support to help overcome them. The applicability of the extensions and tools is demonstrated through a case study based upon a multimedia binding object used to support a configuration of time dependent information producers and consumers realising the so called lip-synchronisation algorithm

Specification Patterns for Time-Related Properties

We present a pattern system for property specification. It extends the existing patterns identified in [4] which allow to reason about occurrence and order of events, but not about time conditions. Introducing time-related patterns allows the specification of real-time requirements. The paper is limited to 3 pages. Therefore it contains only basic ideas. The details can be found in [9]

Abstractions and Static Analysis for Verifying Reactive Systems

Fokkink, W.J. [Promotor]Sidorova, N. [Copromotor

Practical Model Checking of a Home Area Network System: Case Study

The integrated communication infrastructure is the core of the Smart Grid architecture. Its two-way communication and information flow provides this network with all needed resources in order to control and manage all connected components from the utility to the customer side. This latter, named the Home Area Network or HAN, is a dedicated network connecting smart devices inside the customer home, and using different solutions. In order to avoid problems and anomalies along the process life cycle of developing a new solution for HAN network, the modeling and validation is one of the most powerful tools to achieve this goal. This paper presents a practical case study of such validation. It intends to validate a HAN SDL model, described in a previous work, using model checking techniques. It introduces a method to translate the SDL model to a Promela model using an intermediate format IF. After the generation of the Promela model, verification is performed to ensure that some functional properties are satisfied. The desired properties are defined in Linear Temporal Logic (LTL), and DTSPIN (an extension of SPIN with discrete time) model checker is used to verify the correctness of the model

cmUML - A UML based framework for formal specification of concurrent, reactive systems

Complex software systems possess concurrent and reactive behaviors requiring precise specifications prior to development. Lamport's transition axiom method is a formal specification method which combines axiomatic and operational approaches. On the other hand Unified Modeling Language (UML), a de facto industry standard visual language, lacks suitable constructs and semantics regarding concurrency aspects. Though UML includes action semantics, its higher level constructs and object semantics are inconsistent. Motivated by Lamport's approach, this paper proposes a UML based specification framework 'cmUML' ('cm' for concurrent modules) for formal specification of concurrent, reactive systems without object level diagrams and OCL. The framework integrates higher level diagrams of UML and addresses various concurrency issues including exception handling. It combines UML-RT and UML// SPT profile as the latter defines a core package for concurrency and causality. Further the framework includes the characteristic safety and liveness aspects of concurrent systems. The proposed framework is in contrast with existing approaches based on low level primitives (semaphore, monitors). The paper includes several specification examples validating the proposed framework

Applying Formal Methods to Networking: Theory, Techniques and Applications

Despite its great importance, modern network infrastructure is remarkable for the lack of rigor in its engineering. The Internet which began as a research experiment was never designed to handle the users and applications it hosts today. The lack of formalization of the Internet architecture meant limited abstractions and modularity, especially for the control and management planes, thus requiring for every new need a new protocol built from scratch. This led to an unwieldy ossified Internet architecture resistant to any attempts at formal verification, and an Internet culture where expediency and pragmatism are favored over formal correctness. Fortunately, recent work in the space of clean slate Internet design---especially, the software defined networking (SDN) paradigm---offers the Internet community another chance to develop the right kind of architecture and abstractions. This has also led to a great resurgence in interest of applying formal methods to specification, verification, and synthesis of networking protocols and applications. In this paper, we present a self-contained tutorial of the formidable amount of work that has been done in formal methods, and present a survey of its applications to networking.Comment: 30 pages, submitted to IEEE Communications Surveys and Tutorial

Enhancing state space reduction techniques for model checking

Model-checking is een techniek voor het automatisch opsporen van fouten in en de verificatie van hardware en software. De techniek is gebaseerd op het doorzoeken van de globale toestandsruimte van het systeem. Deze toestandsruimte groeit vaak exponentieel met de grootte van de systeembeschrijving. Als gevolg hiervan is een van de voornaamste knelpunten in model-checking de zogenaamde toestandsexplosie. Er bestaan veel aanpakken om met dit probleem om te gaan. We presenteren verbeteringen van sommige bestaande technieken voor reductie van de toestandsruimte die gebaseerd zijn op expliciete enumeratie van die ruimte. We schenken vooral aandacht aan het verbeteren van verscheidene algoritmen die, hoewel ze slechts een deel van de toestandsruimte onderzoeken, nog steeds gegeven een eigenschap kunnen bewijzen of weerleggen. In het bijzonder is ons onderzoek toegespitst op twee typen reducties. Het eerste type, parti¨eleordening (PO) reductie, buit de onafhankelijkheid van acties in het systeem uit. Het tweede type is een klasse van reducties die voordeel halen uit symmetrie¨en van het systeem. De voornaamste bijdragen van dit proefschrift in verband met de parti¨ele ordening reductie zijn de volgende: – Het gebruik van systeemhi¨erarchie voor effici¨entere parti¨ele-ordening reductie door klustering van processen – De meeste model-checking technieken beschouwen het model als een platte compositie van processen. We laten zien hoe de reductie kan profiteren van de systeemstructuur door uitbuiting van de hi¨erarchie in het systeem (Hoofdstuk 2). – Correcte syntactische criteria om onafhankelijke acties te vinden voor parti¨ele ordening reductie voor systemen met synchronizerende communicaties die gecombineerd zijn met prioriteit-keuze en/of zwakke fairness (Hoofdstuk 3). – Parti¨ele-ordening reductie voor discrete tijd – We laten zien hoe het algoritme voor parti¨ele ordening reductie zonder tijd aangepast kan worden, in het geval tijd gerepresenteerd wordt middels gehele getallen (Hoofdstuk 4). De bijdragen betreffende symmetrie-gebaseerde reducties kunnen als volgt samengevat worden: – Effici¨ente heuristieken voor het vinden van representanten van equivalentieklassen voor symmetrie-gebaseerde reductie (Hoofdstuk 6). – Een effici¨ent algoritme voor model-checking onder zwakke fairness met toestandsruimte reductietechnieken die gebaseerd zijn op symmetrie (Hoofdstuk 7). Het succes van model-checking is voornamelijk gebaseerd op de relatief gemakkelijke implementatie in software gereedschappen. Bijna alle bovengenoemde theoretische resultaten zijn ge¨implementeerd in de praktijk en de ontwikkelde prototype implementaties zijn ge¨evalueerd in praktijkstudies. Het meeste implementatie werk is gerelateerd aan de model checker Spin. Van de praktische bijdragen in dit document noemen we: – DT Spin – een uitbreiding van Spin met discrete tijd die het in het proefschrift gepresenteerd discrete-tijd PO reductie algoritme bevat (Hoofdstuk 4). – if2pml – een vertaler van de modelleertaal IF naar Spins invoertaal Promela, die als het tweede deel van een vertaler van SDL naar Promela bedoeld is (Hoofdstuk 5). – SymmSpin – een symmetrie-reductie pakket voor Spin, gebaseerd op de heuristiek beschreven in dit proefschrift (Hoofdstuk 6). De implementaties zijn getest op voorbeelden uit de literatuur en het bedrijfsleven met bemoedigende resultaten. In het bijzonder noemen we MASCARA – een industrieel protocol dat draadloze communicatie met ATM combineert (Hoofdstuk 5). De experimenten zijn niet alleen een aanwijzing voor de kwaliteit van de resultaten en de implementatie, maar ze waren en zijn ook een inspiratie voor nieuw theoretisch werk. Een typerend voorbeeld is de verenigbaarheid van parti¨ele ordening reductie met prioriteit-keuze en fairness in modellen met rendez-vous communicatie. De verbetering van het parti¨ele-ordening algoritme was rechtstreeks ge¨inspireerd door experimenten met Spin en zijn discrete-tijd uitbreiding DT Spin, ontwikkeld in dit proefschrift

A tool for model-checking Markov chains

Markov chains are widely used in the context of the performance and reliability modeling of various systems. Model checking of such chains with respect to a given (branching) temporal logic formula has been proposed for both discrete [34, 10] and continuous time settings [7, 12]. In this paper, we describe a prototype model checker for discrete and continuous-time Markov chains, the Erlangen-Twente Markov Chain Checker EÎMC2, where properties are expressed in appropriate extensions of CTL. We illustrate the general benefits of this approach and discuss the structure of the tool. Furthermore, we report on successful applications of the tool to some examples, highlighting lessons learned during the development and application of EÎMC2